CN115015931B - 无需外部误差校正的实时差分立体sar几何定位方法及系统 - Google Patents

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CN115015931B CN202210626755.7A CN202210626755A CN115015931B CN 115015931 B CN115015931 B CN 115015931B CN 202210626755 A CN202210626755 A CN 202210626755A CN 115015931 B CN115015931 B CN 115015931B
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Abstract

本发明设计一种无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法及系统，与现有技术相比解决了常规立体SAR几何定位对精密定轨数据的要来，以及需要对观测值进行大气误差改正等缺陷。本发明包括以下步骤：差分立体观测数据准备；差分观测值的获取；差分立体方程构建；差分立体方程求解。本发明无需高精度精密定轨数据和外部大气校正情况下，仅在一个参考坐标点的基础上，实现高精度立体SAR几何定位精度，满足对实时性较高的高精度几何定位应用需求。

Description

无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法及系统
技术领域
本发明属于星载合成孔径雷达SAR影像高精度几何处理领域，具体来说是一种无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法及系统。
背景技术
立体SAR影像几何定位技术是根据对同一场景进行多角度观测，对构成立体的SAR影像序列中的同名点坐标计算其对应的三维空间坐标。立体SAR定位技术可以基于距离多普勒严密几何定位模型或者有理多项式模型。高精度的立体SAR几何定位有赖于对构成立体的单景SAR影像定位误差进行补偿，如有研究利用几何定标技术完成单景SAR影像的系统误差标定，并对SAR影像对地观测时由地球大气对SAR信号传播的时延一级地球动力学效应的补偿，在精密定轨的基础上，实现立体SAR高精度几何定位。
应用常规立体SAR求解目标三维坐标的精度有赖于高精度的轨道数据和对观测值进行大气延迟校正、地球动力学效应误差等，然而精密定轨以及大气校正需要依靠外部观测数据，这样就导致无法很好的满足实时性的要求，从而限制了后续应用。本发明利用单个地面控制点的SAR影像高精度立体定位，利用同一景影像空间范围内SAR影像观测坐标所受到误差相等，从而利用坐标观测值之差形成差分观测值，进一步构建差分立体定位方程，可实现高精度实时完成待求目标观测点的三维坐标解算。目前国内还暂无相关论文与专利。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中高精度常规立体SAR几何定位对精密定轨数据的要求，以及需要对观测值进行误差改正，导致无法满足实时性处理需求，从而限制了后续应用，提供一种无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法及系统来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定方法，包括以下步骤：
11)差分立体观测数据准备：根据SAR影像对应的元数据文件，选取对同一区域拍摄的立体观测角在40°到140°范围的立体影像，并完成参考点三维坐标数据以及SAR影像景中心经纬度的获取。
12)差分观测值获取，选取某一观测场景下的SAR立体观测影像序列，逐个提取参考点、待求目标观测点在立体SAR影像中的像方坐标观测值，并转化为差分坐标观测值，由于同一影像中，参考点以及待求目标观测点像方坐标所受到的观测误差在局部范围里可认为是一致的，从而参考点的像方观测坐标与待求目标观测点的观测像方观测坐标求差得到差分观测值。
13)差分立体几何定位方程构建，根据SAR影像Im的距离多普勒几何定位模型，将参考点Ref的三维坐标反算至像方并以此建立参考点Ref在SAR影像Im上的定位方程，根据参考点Ref反算得到的像方时间量纲坐标及差分观测值，得到待求目标点k的像方时间量纲坐标，并以此建立目标点k在SAR影像Im上的方程，最后建立差分立体观测方程。
14)差分立体方程求解，对待求观测点的三维坐标赋初值，构建差分立体平差模型，迭代求解差分位置矢量改正值，得到待求观测点的三维坐标。
所述差分立体观测数据准备包括以下步骤：
21)差分立体观测影像数据自动提取，根据影像对应的元数据文件获取的侧视方向、景中心入射角信息，粗略判断立体观测角，如果侧视方向相同，立体观测角计算公式如下：
StereoAnglei,j＝abs(IncAnglei-IncAnglej)，
如侧视方向不同，立体观测角计算公式如下：
StereoAnglei,j＝180-abs(IncAnglei+IncAnglej)，
其中，i，j表示待判断立体观测角的影像标识，IncAnglei和IncAnglej分别表示影像i和j元数据中提取出的景中心入射角，abs表示取绝对值运算，StereoAnglei,j表示由影像i，j构成的观测立体角，本发明选取立体观测角在40°到140°范围的立体影像对；
22)建立SAR影像的距离多普勒几何定位模型，根据SAR影像元数据里的轨道参数、多普勒参数、距离参数建立距离多普勒模型如下：
距离方程：|CS(ta)-CT|-c/2·τr＝0，
多普勒方程：
Figure GDA0004132971080000031
其中，τr和ta分别是观测目标在SAR影像上的距离向和方位向时间的量纲坐标，CS(ta)和
Figure GDA0004132971080000032
分别表示观测目标方位向成像时间ta对应在WGS84坐标系下的位置矢量和速度矢量，CS(ta)＝[Xphase(ta) Yphase(ta) Zphase(ta)]T，Xphase(ta)，Yphase(ta)以及Zphase(ta)表示方位向成像时间ta时刻天线相位中心在地心直角坐标下x轴，y轴以及z轴的坐标分量，
Figure GDA0004132971080000033
)以及
Figure GDA0004132971080000034
表示方位向成像时间ta时刻天线相位中心在地心直角坐标下x轴，y轴以及z轴的速度分量。
23)参考点数据获取，获取观测场景中具有三维坐标的参考点，其大地坐标系坐标矢量为
Figure GDA0004132971080000041
其中
Figure GDA0004132971080000042
λRef以及HRef分别为参考点的经度、纬度和大地高；并将参考点大地坐标转为地心直角坐标矢量
Figure GDA0004132971080000043
其中XRef、YRef以及ZRef方分别为参考点在地心直角坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标，
Figure GDA0004132971080000044
为其地心直角坐标矢量简写。
24)根据SAR影像的元数据信息，获取其影像覆盖范围内的中心大地坐标系坐标矢量为
Figure GDA0004132971080000045
其中
Figure GDA0004132971080000046
以及
Figure GDA0004132971080000047
分别为任意SAR影像Im的景中心的经度、纬度和大地高,并将景中心的大地坐标转为地心直角坐标矢量
Figure GDA0004132971080000048
其中
Figure GDA0004132971080000049
以及
Figure GDA00041329710800000410
方分别为SAR影像Im的景中心在地心直角坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标分量，
Figure GDA00041329710800000411
为其地心直角坐标矢量简写，Cen表示中心的缩写。
所述差分观测值获取包括以下步骤：
31)选取SAR立体观测影像序列中某张SAR影像Im，根据其距离多普勒几何定位模型，将参考点Ref的三维直接坐标
Figure GDA00041329710800000412
反算至像方，得到粗略坐标，并利用点目标分析精确得到参考点在SAR影像Im上的时间量纲坐标
Figure GDA00041329710800000413
其中
Figure GDA00041329710800000414
和
Figure GDA00041329710800000415
分别为参考点Ref在SAR影像Im精确提取的距离向时间和方位向观测时间；
由于观测到的时间量纲坐标受到各种误差影响，参考点Ref观测的像方坐标可拆解如下：
Figure GDA00041329710800000416
其中
Figure GDA00041329710800000417
和
Figure GDA00041329710800000418
分别为SAR影像Im距离向和方位向系统时间延迟，
Figure GDA00041329710800000419
以及
Figure GDA00041329710800000420
分别为地球物理效应、轨道、大气延迟在SAR影像Im距离向上引起的时间延迟，
Figure GDA00041329710800000421
和
Figure GDA00041329710800000422
分别表示地球物理效应和轨道在SAR影像Im方位向上引起的时间延迟，
Figure GDA00041329710800000423
和
Figure GDA00041329710800000424
表示参考点Ref在SAR影像Im上未受到任何误差影响的距离向和方位向时间。
32)在SAR影像Im上选取待求三维坐标的目标点k，并利用点目标分析精确提取其在SAR影像Im上的时间量纲坐标
Figure GDA0004132971080000051
其中
Figure GDA0004132971080000052
和
Figure GDA0004132971080000053
分别表示目标观测点k在SAR影像Im上精确提取距离向时间和方位向观测时间；
33)得到差分观测值：对步骤31)和32)提取出的参考点Ref和目标点k的像方坐标观测值做差，得到差分观测值如下：
Figure GDA0004132971080000054
Figure GDA0004132971080000055
其中，
Figure GDA0004132971080000056
和
Figure GDA0004132971080000057
为参考点Ref和目标点k的距离向和方位时间观测值之差，由于在同一景影像局部范围内误差的空间相关，因此参考点Ref和目标点k的像方坐标观测值所受到的误差近似相等，相减之后可消除。
34)重复步骤31)-33)，直至计算完立体SAR影像序列中所有的SAR影像的参考点Ref和目标点k的差分观测值。
所述差分立体几何定位方程构建包括以下步骤：
41)得到参考点Ref在SAR影像Im上的几何定位方程：利用SAR影像Im的几何定位模型，将步骤23)中的参考点Ref三维坐标
Figure GDA0004132971080000058
直接反算至像方，得到在SAR影像Im的像方坐标
Figure GDA0004132971080000059
然后代入SAR影像Im的距离多普勒定位模型中，得到如下：
Figure GDA00041329710800000510
其中，
Figure GDA00041329710800000511
和
Figure GDA00041329710800000512
分别为参考点Ref在SAR影像Im上通过几何定位反算得到的距离向时间和方位向时间，c为光速，
Figure GDA00041329710800000513
和
Figure GDA00041329710800000514
分别为SAR影像Im在方位向观测时间为
Figure GDA00041329710800000515
时SAR相位中心所在的位置以及速度矢量，其具体公式如下：
Figure GDA0004132971080000061
位置矢量：
Figure GDA0004132971080000062
Figure GDA0004132971080000063
速度矢量：
Figure GDA0004132971080000064
其中，ai、bi以及ci分别表示SAR影像Im轨道建模多项式系数，i为阶数，本发明采用6阶多项式表示。
本步骤中反算得到的参考点方位向时间
Figure GDA0004132971080000065
相当于定义了本发明立体差分方法的基准，它是根据轨道和参考目标计算得出的，而不是通过点目标分析得到的。
42)构建待求观测点k在SAR影像Im的几何定位方程：利用参考点Ref在SAR影像Im上的反算时间量纲坐标及差分观测值得到待求目标观测点的时间量纲坐标，并代入SAR影像Im的几何定位模型，得到待求观测点k在SAR影像Im定位方程式，具体步骤为：
421)利用参考点Ref在SAR影像Im上的反算得到时间量纲坐标
Figure GDA0004132971080000066
以及在SAR影像Im的差分观测值，得到待求观测点k在SAR影像Im上的反算坐标，计算公式如下：
Figure GDA0004132971080000067
其中，
Figure GDA0004132971080000068
和
Figure GDA0004132971080000069
分别表示待求观测点k在SAR影像Im上距离向和方位向时间。
422)得到待求观测点k三维坐标的差分形式，假定待求观测点k的三维坐标与参考点Ref的三维坐标之差矢量为
Figure GDA00041329710800000610
则待求观测点k可表示为：
Figure GDA00041329710800000611
其中，
Figure GDA0004132971080000071
以及
Figure GDA0004132971080000072
分别为待求观测点k与参考点Ref在地心直角坐标系下x轴，y轴，z轴的坐标差值。
423)将待求观测点k在SAR影像Im上距离向和方位向时间以及三维坐标差分形式代入SAR影像Im的距离多普勒定位模型中，得到观测点k在SAR影像Im定位方程式如下：
Figure GDA0004132971080000073
其中，
Figure GDA0004132971080000074
和
Figure GDA0004132971080000075
分别为利用421)步骤求得的观测点k在SAR影像Im上的距离向时间和方位向时间，c为光速，
Figure GDA0004132971080000076
和
Figure GDA0004132971080000077
分别为SAR影像Im在方位向观测时间为
Figure GDA0004132971080000078
时SAR相位中心所在的位置以及速度矢量，其具体公式如下：
Figure GDA0004132971080000079
位置矢量：
Figure GDA00041329710800000710
Figure GDA00041329710800000711
速度矢量：
Figure GDA00041329710800000712
其中，ai、bi以及ci分别表示SAR影像Im轨道建模多项式系数，i为阶数，本发明i＝6。
43)将上述步骤得到的参考点Ref以及待求观测目标点k的几何定位方程相减，构建SAR影像Im的差分距离多普勒几何定位方程如下：
Figure GDA00041329710800000713
上式简记为如下：
Figure GDA0004132971080000081
44)重复步骤41)-43)，直至构建完立体SAR影像序列中所有的SAR影像的差分立体观测方程。
所述差分立体方程求解包括以下步骤：
51)将待求观测目标点k的初始三维坐标矢量值赋值为24)步骤中提取的SAR影像Im景中心地心直角坐标矢量
Figure GDA0004132971080000082
52)对于待求观测目标点k，构建差分立体平差模型如下：
Figure GDA0004132971080000083
并对差分立体平差模型对待求观测点k的三维坐标与参考点Ref的三维坐标之差矢量
Figure GDA0004132971080000084
中的未知数、
Figure GDA0004132971080000085
以及
Figure GDA0004132971080000086
求偏导，完成模型线性化，得到如下误差方程：
Figure GDA0004132971080000091
上式中n为差分立体SAR影像序列的总影像数，
Figure GDA0004132971080000092
为待求观测点k的三维坐标初始值代入到SAR影像In的差分距离多普勒几何定位方程中得到的值，简记为
Figure GDA0004132971080000093
53)求解上式，得到三维坐标之差矢量
Figure GDA0004132971080000094
的改正数
Figure GDA0004132971080000095
54)将改正
Figure GDA00041329710800000910
数更新至三维坐标之差矢量
Figure GDA0004132971080000096
中，得到新的三维坐标之差矢量
Figure GDA0004132971080000097
55)重复步骤52)-54)，直到坐标改正值、
Figure GDA0004132971080000098
以及
Figure GDA0004132971080000099
都小于1e-7。
56)逐个待求观测目标点求解，直到所有待求目标的三维坐标求解出为止。
一种无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位系统，包括以下模块：
立体差分数据准备模块，用于自动筛选差分立体SAR数据、参考点大地坐标与地心直角坐标转换、获取SAR影像景中心的三维坐标；立体差分观测值获取模块，用于参考点Ref和待求目标点的像方坐标提取，完成差分观测值的获取；立体差分观测方程构建模块，用于构建单张SAR影像上待求目标点的差分立体方程。立体差分观测方程求解模块，用于构建差分立体平差模型，差分立体方程线性化处理，迭代求解差分位置矢量改正值，完成待求观测点的三维坐标解算。
有益效果
本发明无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法及系统，与现有常规立体SAR技术相比，与现有技术相比可实现无需高精度精密定轨数据和外部大气校正情况下，仅在一个参考坐标点基础上，实现高精度立体SAR立体定位，由于本发明可省去对观测值进行各项补偿及不依赖于精密轨道数据，可满足实时性较高的高精度几何定位应用需求。
附图说明
图1为本发明的方法顺序图；
图2为本发明设计的方法实施流程图；
图3为本发明中差分观测值示意图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1和图2所示，本发明所述的一种无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法，包括以下步骤：
第一步，差分立体观测数据准备：根据SAR影像对应的元数据文件，选取对同一区域拍摄的立体观测角在40°到140°范围的立体影像，并完成参考点三维坐标数据以及SAR影像景中心经纬度的获取。其具体步骤如下：
(1)差分立体观测影像数据自动提取，根据影像对应的元数据文件获取的侧视方向、景中心入射角信息，粗略判断立体观测角，如果侧视方向相同，立体观测角计算公式如下：
StereoAnglei,j＝abs(IncAnglei-IncAnglej)，
如侧视方向不同，立体观测角计算公式如下：
StereoAnglei,j＝180-abs(IncAnglei+IncAnglej)，
其中，i，j表示待判断立体观测角的影像标识，IncAnglei和IncAnglej分别表示影像i和j元数据中提取出的景中心入射角，abs表示取绝对值运算，StereoAnglei,j表示由影像i，j构成的观测立体角，本发明选取立体观测角在40°到140°范围的立体影像对；
(2)建立SAR影像的距离多普勒几何定位模型，根据SAR影像元数据里的轨道参数、多普勒参数、距离参数建立距离多普勒模型如下：
距离方程：|CS(ta)-CT|-c/2·τr＝0，
多普勒方程：
Figure GDA0004132971080000111
其中，τr和ta分别是观测目标在SAR影像上的距离向和方位向时间的量纲坐标，CS(ta)和
Figure GDA0004132971080000112
分别表示观测目标方位向成像时间ta对应在WGS84坐标系下的位置矢量和速度矢量，CS(ta)＝[Xphase(ta) Yphase(ta) Zphase(ta)]T，Xphase(ta)、Yphase(ta)以及Zphase(ta)表示方位向成像时间ta时刻天线相位中心在地心直角坐标下x轴，y轴以及z轴的坐标分量，
Figure GDA0004132971080000113
以及
Figure GDA0004132971080000114
表示方位向成像时间ta时刻天线相位中心在地心直角坐标下x轴，y轴以及z轴的速度分量。
(3)参考点数据获取，获取观测场景中具有三维坐标的参考点，其大地坐标系坐标矢量为
Figure GDA0004132971080000121
其中
Figure GDA0004132971080000122
λRef以及HRef分别为参考点的经度、纬度和大地高；并将参考点大地坐标转为地心直角坐标矢量
Figure GDA0004132971080000123
其中XRef、YRef以及ZRef方分别为参考点在地心直角坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标，
Figure GDA0004132971080000124
为其地心直角坐标矢量简写。
(4)根据SAR影像的元数据信息，获取其影像覆盖范围内的中心大地坐标系坐标矢量为
Figure GDA0004132971080000125
其中
Figure GDA0004132971080000126
Figure GDA0004132971080000127
以及
Figure GDA0004132971080000128
分别为任意SAR影像Im的景中心的经度、纬度和大地高,并将景中心的大地坐标转为地心直角坐标矢量
Figure GDA0004132971080000129
其中
Figure GDA00041329710800001210
以及
Figure GDA00041329710800001211
方分别为SAR影像Im的景中心在地心直角坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标分量，
Figure GDA00041329710800001212
为其地心直角坐标矢量简写，Cen表示中心的缩写。
第二步，差分观测值获取，选取某一观测场景下的SAR立体观测影像序列，逐个提取参考点、待求目标观测点在立体SAR影像中的像方坐标观测值，并转化为差分坐标观测值，由于同一影像中，参考点以及待求目标观测点像方坐标所受到的观测误差在局部范围里可认为是一致的，从而参考点的像方观测坐标与待求目标观测点的观测像方观测坐标求差得到差分观测值，如图3所示，其具体步骤如下：
(1)选取SAR立体观测影像序列中某张SAR影像Im，根据其距离多普勒几何定位模型，将参考点Ref的三维直接坐标
Figure GDA00041329710800001213
反算至像方，得到粗略坐标，并利用点目标分析精确得到参考点在SAR影像Im上的时间量纲坐标
Figure GDA00041329710800001214
其中
Figure GDA00041329710800001215
和
Figure GDA00041329710800001216
分别为参考点Ref在SAR影像Im精确提取的距离向时间和方位向观测时间；
由于观测到的时间量纲坐标受到各种误差影响，参考点Ref观测的像方坐标可拆解如下：
Figure GDA00041329710800001217
其中，
Figure GDA0004132971080000131
和
Figure GDA0004132971080000132
分别为SAR影像Im距离向和方位向系统时间延迟，
Figure GDA0004132971080000133
以及
Figure GDA0004132971080000134
分别为地球物理效应、轨道、大气延迟在SAR影像Im距离向上引起的时间延迟，
Figure GDA0004132971080000135
和
Figure GDA0004132971080000136
分别表示地球物理效应和轨道在SAR影像Im方位向上引起的时间延迟，
Figure GDA0004132971080000137
和
Figure GDA0004132971080000138
表示参考点Ref在SAR影像Im上未受到任何误差影响的距离向和方位向时间。
(2)在SAR影像Im上选取待求三维坐标的目标点k，并利用点目标分析精确提取其在SAR影像Im上的时间量纲坐标
Figure GDA0004132971080000139
其中
Figure GDA00041329710800001310
和
Figure GDA00041329710800001311
分别表示目标观测点k在SAR影像Im上精确提取距离向时间和方位向观测时间；
(3)得到差分观测值：对步骤(1)和(2)提取出的参考点Ref和目标点k的像方坐标观测值做差，得到差分观测值如下：
Figure GDA00041329710800001312
其中，
Figure GDA00041329710800001313
和
Figure GDA00041329710800001314
为参考点Ref和目标点k的距离向和方位时间观测值之差，由于在同一景影像局部范围内误差的空间相关，因此参考点Ref和目标点k的像方坐标观测值所受到的误差近似相等，相减之后可消除。
(4)重复步骤(1)-(3)，直至计算完立体SAR影像序列中所有的SAR影像的参考点Ref和目标点k的差分观测值。
第三步，差分立体几何定位方程构建，根据SAR影像Im的距离多普勒几何定位模型，将参考点Ref的三维坐标反算至像方并以此建立参考点Ref在SAR影像Im上的定位方程，根据参考点Ref反算得到的像方时间量纲坐标及差分观测值，得到待求目标点k的像方时间量纲坐标，并以此建立目标点k在SAR影像Im上的方程，最后建立差分立体观测方程，其具体步骤如下：
(1)得到参考点Ref在SAR影像Im上的几何定位方程：利用SAR影像Im的几何定位模型，将步骤1.3中的参考点Ref三维坐标
Figure GDA0004132971080000141
直接反算至像方，得到在SAR影像Im的像方坐标
Figure GDA0004132971080000142
然后代入SAR影像Im的距离多普勒定位模型中，得到如下：
Figure GDA0004132971080000143
其中，
Figure GDA0004132971080000144
和
Figure GDA0004132971080000145
分别为参考点Ref在SAR影像Im上通过几何定位反算得到的距离向时间和方位向时间，c为光速，
Figure GDA0004132971080000146
和
Figure GDA0004132971080000147
分别为SAR影像Im在方位向观测时间为
Figure GDA0004132971080000148
时SAR相位中心所在的位置以及速度矢量，其具体公式如下：
Figure GDA0004132971080000149
位置矢量：
Figure GDA00041329710800001410
Figure GDA00041329710800001411
速度矢量：
Figure GDA00041329710800001412
其中ai、bi以及ci分别表示SAR影像Im轨道建模多项式系数，i为阶数，本发明采用6阶多项式表示。
本步骤中反算得到的参考点方位向时间
Figure GDA00041329710800001413
相当于定义了本发明立体差分方法的基准，它是根据轨道和参考目标计算得出的，而不是通过点目标分析得到的。
(2)构建待求观测点k在SAR影像Im的几何定位方程：利用参考点Ref在SAR影像Im上的反算时间量纲坐标及差分观测值得到待求目标观测点的时间量纲坐标，并代入SAR影像Im的几何定位模型，得到待求观测点k在SAR影像Im定位方程式，具体步骤为：
A1)利用参考点Ref在SAR影像Im上的反算得到时间量纲坐标
Figure GDA0004132971080000151
以及在SAR影像Im的差分观测值，得到待求观测点k在SAR影像Im上的反算坐标，计算公式如下：
Figure GDA0004132971080000152
其中
Figure GDA0004132971080000153
和
Figure GDA0004132971080000154
分别表示待求观测点k在SAR影像Im上距离向和方位向时间。
A2)得到待求观测点k三维坐标的差分形式，假定待求观测点k的三维坐标与参考点Ref的三维坐标之差矢量为
Figure GDA0004132971080000155
则待求观测点k可表示为：
Figure GDA0004132971080000156
其中，
Figure GDA0004132971080000157
以及
Figure GDA0004132971080000158
分别为待求观测点k与参考点Ref的在地心直角坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标差值。
A3)将待求观测点k在SAR影像Im上距离向和方位向时间以及三维坐标差分形式代入SAR影像Im的距离多普勒定位模型中，得到观测点k在SAR影像Im定位方程式如下：
Figure GDA0004132971080000159
其中，
Figure GDA00041329710800001510
和
Figure GDA00041329710800001511
分别为利用A1)步骤求得的观测点k在SAR影像Im上的距离向时间和方位向时间，c为光速，
Figure GDA00041329710800001512
和
Figure GDA00041329710800001513
分别为SAR影像Im在方位向观测时间为
Figure GDA00041329710800001514
时SAR相位中心所在的位置以及速度矢量，其具体公式如下：
Figure GDA00041329710800001515
位置矢量：
Figure GDA00041329710800001516
Figure GDA0004132971080000161
速度矢量：
Figure GDA0004132971080000162
其中，ai、bi以及ci分别表示SAR影像Im轨道建模多项式系数，i为阶数，本发明i＝6。
(3)将上述步骤得到的参考点Ref以及待求观测目标点k的几何定位方程相减，构建SAR影像Im的差分距离多普勒几何定位方程如下：
Figure GDA0004132971080000163
上式简记为如下：
Figure GDA0004132971080000164
Figure GDA0004132971080000165
未知数为待求观测点k的三维坐标与参考点Ref的三维坐标之差矢量
Figure GDA0004132971080000166
(4)重复步骤(1)-(3)，直至构建完立体SAR影像序列中所有的SAR影像的差分立体观测方程。
第四步，差分立体方程求解，对待求观测点的三维坐标赋初值，构建差分立体平差模型，迭代求解差分位置矢量改正值，得到待求观测点的三维坐标，其具体步骤如下：
(1)将待求观测目标点k的初始三维坐标矢量值
Figure GDA0004132971080000167
赋值为第一步步骤(4)中提取的SAR影像Im景中心地心直角坐标矢量
Figure GDA0004132971080000168
(2)对于待求观测目标点k，构建差分立体平差模型如下：
Figure GDA0004132971080000171
并对差分立体平差模型对待求观测点k的三维坐标与参考点Ref的三维坐标之差矢量
Figure GDA0004132971080000172
中的未知数
Figure GDA0004132971080000173
以及
Figure GDA0004132971080000174
求偏导，完成模型线性化，得到如下误差方程：
Figure GDA0004132971080000175
上式中，n为差分立体SAR影像序列的总影像数，
Figure GDA0004132971080000176
为待求观测点k的三维坐标初始值代入到SAR影像In的差分距离多普勒几何定位方程中得到的值，简记为
Figure GDA0004132971080000177
(3)求解上式，得到三维坐标之差矢量
Figure GDA0004132971080000178
的改正数为：
Figure GDA0004132971080000179
(4)将改正数更新至三维坐标之差矢量
Figure GDA00041329710800001710
中，得到新的三维坐标之差矢量
Figure GDA0004132971080000181
(5)重复步骤(2)-(4)，直到坐标改正值
Figure GDA0004132971080000182
以及
Figure GDA0004132971080000183
都小于1e-7。
(6)逐个待求观测目标点求解，直到所有待求目标的三维坐标都求解出为止。
下面以国产SAR卫星为例对本发明中提出的方法进行说明：选取嵩山、南京区域的立体实验数据并对常规立体SAR和本发明中的差分立体SAR几何定位方法进行对比，差分立体定位所使用的的轨道数据为实时轨道数据，而常规立体定位用的是精密定轨数据，检查点的坐标为GPS外业采集，GPS采集精度平面5cm，高程3cm。在场景中选取参考点和待求目标点，得到差分观测值，构建差分立体方程，并完成差分三维坐标改正数的求解。比较常规立体定位方法与差分立体定位方法结果，从结果来看，差分定位方法的精度优于常规立体定位方法，精度高50％，由于几何定标参数是通过时序分析反应的一个平均状态，而每景定标参数不同的，这就导致经几何定标参数补偿后，仍然残余部分误差，所以常规立体几何定位精度较差。而本发明提出的一种差分立体定位方法则不同，每景都确立自己的参考基准，利用差分观测方程很好的消去误差，立体立体定位结果更好，并且实时性较好。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
从上述实施步骤可以看出，相较传统依赖几何定标场方法，本发明拥有如下显著优势：无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法及系统，与现有常规立体SAR技术相比，与现有技术相比可实现无需高精度精密定轨数据、外部大气校正地球动力学效应补偿情况下，仅在一个参考坐标点基础上，实现高精度立体SAR立体定位，由于本发明可省去对观测值进行各项补偿及不依赖于精密轨道数据，可满足高精度的实时性较高的应用需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法，包括以下步骤：
11)差分立体观测数据准备：根据SAR影像对应的元数据文件，选取对同一区域拍摄的立体观测角在40°到140°范围的立体影像，并完成参考点三维坐标数据以及SAR影像景中心经纬度的获取；
12)差分观测值获取，选取某一观测场景下的SAR立体观测影像序列，逐个提取参考点、待求目标观测点在立体SAR影像中的像方坐标观测值，并转化为差分坐标观测值，由于同一影像中，参考点以及待求目标观测点像方坐标所受到的观测误差在局部范围里是一致的，从而参考点的像方观测坐标与待求目标观测点的观测像方观测坐标求差得到差分观测值；
13)差分立体几何定位方程构建，根据SAR影像Im的距离多普勒几何定位模型，将参考点Ref的三维坐标反算至像方并以此建立参考点Ref在SAR影像Im上的定位方程，根据参考点Ref反算得到像方时间量纲坐标及差分观测值，得到待求目标点k的像方时间量纲坐标，并以此建立目标点k在SAR影像Im上的方程，最后建立差分立体观测方程；
14)差分立体方程求解，对待求观测点的三维坐标赋初值，构建差分立体平差模型，迭代求解差分位置矢量改正值，得到待求观测点的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法，其特征在于，所述差分立体观测数据准备包括以下步骤：
21)差分立体观测影像数据自动提取，根据影像对应的元数据文件获取的侧视方向、景中心入射角信息，粗略判断立体观测角，如果侧视方向相同，立体观测角计算公式如下：
StereoAnglei,j＝abs(IncAnglei-IncAnglej)，
如侧视方向不同，立体观测角计算公式如下：
StereoAnglei,j＝180-abs(IncAnglei+IncAnglej)，
其中，i，j表示待判断立体观测角的影像标识，IncAnglei和IncAnglej分别表示影像i和j元数据中提取出的景中心入射角，abs表示取绝对值运算，StereoAnglei,j表示由影像i，j构成的观测立体角，选取立体观测角在40°到140°范围的立体影像对；
22)建立SAR影像的距离多普勒几何定位模型，根据SAR影像元数据里的轨道参数、多普勒参数、距离参数建立距离多普勒模型如下：
距离方程：|CS(ta)-CT|-c/2·τr＝0，
多普勒方程：
Figure FDA0004132971070000021
其中，τr和ta分别是观测目标在SAR影像上的距离向和方位向时间的量纲坐标，CS(ta)和
Figure FDA0004132971070000022
分别表示观测目标方位向成像时间ta对应在WGS84坐标系下的位置矢量和速度矢量，CS(ta)＝[Xphase(ta) Yphase(ta) Zphase(ta)]T，其中Xphase(ta)、Yphase(ta)以及Zphase(ta)分别表示方位向成像时间ta时刻天线相位中心在地心直角坐标下对应x轴，y轴以及z轴的坐标分量，
Figure FDA0004132971070000023
其中
Figure FDA0004132971070000024
以及
Figure FDA0004132971070000025
表示方位向成像时间ta时刻天线相位中心在地心直角坐标下x轴，y轴以及z轴的速度分量；
23)参考点数据获取，获取观测场景中具有三维坐标的参考点，其大地坐标系坐标矢量为
Figure FDA0004132971070000026
其中
Figure FDA0004132971070000027
λRef以及HRef分别为参考点的经度、纬度和大地高；并将参考点大地坐标转为地心直角坐标矢量
Figure FDA0004132971070000028
其中XRef、YRef以及ZRef方分别为参考点在地心直角坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标，
Figure FDA0004132971070000031
为其地心直角坐标矢量简写；
24)根据SAR影像的元数据信息，获取其影像覆盖范围内的中心大地坐标系坐标矢量为
Figure FDA0004132971070000032
其中
Figure FDA0004132971070000033
以及
Figure FDA0004132971070000034
分别为任意SAR影像Im的景中心的经度、纬度和大地高,并将景中心的大地坐标转为地心直角坐标矢量
Figure FDA0004132971070000035
其中
Figure FDA0004132971070000036
以及
Figure FDA0004132971070000037
方分别为SAR影像Im的景中心在地心直角坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标分量，
Figure FDA0004132971070000038
为其地心直角坐标矢量简写，Cen表示中心的缩写。
3.根据权利要求1所述的无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法，其特征在于，所述差分观测值获取包括以下步骤：
31)选取SAR立体观测影像序列中某张SAR影像Im，根据其距离多普勒几何定位模型，将参考点Ref的三维直接坐标
Figure FDA0004132971070000039
反算至像方，得到粗略坐标，并利用点目标分析精确得到参考点在SAR影像Im上的时间量纲坐标
Figure FDA00041329710700000310
其中
Figure FDA00041329710700000311
和
Figure FDA00041329710700000312
分别为参考点Ref在SAR影像Im精确提取的距离向时间和方位向观测时间；
由于观测到的时间量纲坐标受到各种误差影响，参考点Ref观测的像方坐标拆解如下：
Figure FDA00041329710700000313
其中，
Figure FDA00041329710700000314
和
Figure FDA00041329710700000315
分别为SAR影像Im距离向和方位向系统时间延迟，
Figure FDA00041329710700000316
以及
Figure FDA00041329710700000317
分别为地球物理效应、轨道、大气延迟在SAR影像Im距离向上引起的时间延迟，
Figure FDA00041329710700000318
和
Figure FDA00041329710700000319
分别表示地球物理效应和轨道在SAR影像Im方位向上引起的时间延迟，
Figure FDA00041329710700000320
和
Figure FDA00041329710700000321
表示参考点Ref在SAR影像Im上未受到任何误差影响的距离向和方位向时间；
32)在SAR影像Im上选取待求三维坐标的目标点k，并利用点目标分析精确提取其在SAR影像Im上的时间量纲坐标
Figure FDA0004132971070000041
其中
Figure FDA0004132971070000042
和
Figure FDA0004132971070000043
分别表示目标观测点k在SAR影像Im上精确提取的距离向时间和方位向观测时间；
33)得到差分观测值：对步骤31)和32)提取出的参考点Ref和目标点k的像方坐标观测值作差，得到差分观测值如下：
Figure FDA0004132971070000044
Figure FDA0004132971070000045
和
Figure FDA0004132971070000046
为参考点Ref和目标点k的距离向和方位时间观测值之差，由于在同一景影像局部范围内误差的空间相关，因此参考点Ref和目标点k的像方坐标观测值所受到的误差近似相等，相减之后可消除；
34)重复步骤31)-33)，直至计算完立体SAR影像序列中所有的SAR影像的参考点Ref和目标点k的差分观测值。
4.根据权利要求3所述的无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法，其特征在于，所述差分立体几何定位方程构建包括以下步骤：
41)得到参考点Ref在SAR影像Im上的几何定位方程：利用SAR影像Im的几何定位模型，将步骤23)中的参考点Ref三维坐标
Figure FDA0004132971070000047
直接反算至像方，得到在SAR影像Im的像方坐标
Figure FDA0004132971070000048
然后代入SAR影像Im的距离多普勒定位模型中，得到如下：
Figure FDA0004132971070000049
其中，
Figure FDA00041329710700000410
和
Figure FDA00041329710700000411
分别为参考点Ref在SAR影像Im上通过几何定位反算得到的距离向时间和方位向时间，c为光速，
Figure FDA00041329710700000412
和
Figure FDA0004132971070000051
分别为SAR影像Im在方位向观测时间为
Figure FDA0004132971070000052
时SAR相位中心所在的位置以及速度矢量，其具体公式如下：
Figure FDA0004132971070000053
位置矢量：
Figure FDA0004132971070000054
Figure FDA0004132971070000055
速度矢量：
Figure FDA0004132971070000056
其中，ai、bi以及ci分别表示SAR影像Im轨道建模多项式系数，i为阶数，采用6阶多项式表示；
本步骤中反算得到的参考点方位向时间
Figure FDA0004132971070000057
相当于定义了差分立体SAR几何定位方法的基准，它是根据轨道和参考目标计算得出的，而不是通过点目标分析得到的；
42)构建待求观测点k在SAR影像Im的几何定位方程：利用参考点Ref在SAR影像Im上的反算时间量纲坐标及差分观测值得到待求目标观测点的时间量纲坐标，并代入SAR影像Im的几何定位模型，得到待求观测点k在SAR影像Im定位方程式，具体步骤为：
421)利用参考点Ref在SAR影像Im上的反算得到时间量纲坐标
Figure FDA0004132971070000058
以及在SAR影像Im的差分观测值，得到待求观测点k在SAR影像Im上的反算坐标，计算公式如下：
Figure FDA0004132971070000059
其中，
Figure FDA00041329710700000510
和
Figure FDA00041329710700000511
分别表示待求观测点k在SAR影像Im上距离向和方位向时间；
422)得到待求观测点k三维坐标的差分形式，假定待求观测点k的三维坐标与参考点Ref的三维坐标之差矢量为
Figure FDA00041329710700000512
则待求观测点k表示为：
Figure FDA0004132971070000061
其中，
Figure FDA0004132971070000062
Figure FDA0004132971070000063
以及
Figure FDA0004132971070000064
分别为待求观测点k与参考点Ref的在地心直角坐标系下的x轴，y轴，z轴坐标差值；
423)将待求观测点k在SAR影像Im上距离向和方位向时间以及三维坐标差分形式代入SAR影像Im的距离多普勒定位模型中，得到观测点k在SAR影像Im定位方程式如下：
Figure FDA0004132971070000065
其中，
Figure FDA0004132971070000066
和
Figure FDA0004132971070000067
分别为利用421)步骤求得的观测点k在SAR影像Im上的距离向时间和方位向时间，c为光速，
Figure FDA0004132971070000068
和
Figure FDA0004132971070000069
分别为SAR影像Im在方位向观测时间为
Figure FDA00041329710700000610
时SAR相位中心所在的位置以及速度矢量，其具体公式如下：
Figure FDA00041329710700000611
位置矢量：
Figure FDA00041329710700000612
Figure FDA00041329710700000613
速度矢量：
Figure FDA00041329710700000614
其中，ai、bi以及ci分别表示SAR影像Im轨道建模多项式系数，i为阶数，i＝6；
43)将上述步骤得到的参考点Ref以及待求观测目标点k的几何定位方程进行相减，也就是本方法所述的差分处理过程，构建SAR影像Im的差分距离多普勒几何定位方程如下：
Figure FDA0004132971070000071
Figure FDA0004132971070000072
上式简记为如下：
Figure FDA0004132971070000073
Figure FDA0004132971070000074
44)重复步骤41)-43)，直至构建完立体SAR影像序列中所有的SAR影像的差分立体观测方程。
5.根据权利要求4所述的无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法，其特征在于，所述差分立体方程求解包括以下步骤：
51)将待求观测目标点k的初始三维坐标矢量值
Figure FDA0004132971070000075
赋值为24)步骤中提取的SAR影像Im景中心地心直角坐标矢量
Figure FDA0004132971070000076
52)对于待求观测目标点k，构建差分立体平差模型如下：
Figure FDA0004132971070000077
Figure FDA0004132971070000078
………
………
Figure FDA0004132971070000079
Figure FDA00041329710700000710
并对差分立体平差模型对待求观测点k的三维坐标与参考点Ref的三维坐标之差矢量中的未知数、
Figure FDA00041329710700000711
以及求偏导，完成模型线性化，得到如下误差方程：
Figure FDA0004132971070000081
上式中，n为参与差分立体处理中SAR影像序列的总影像数，
Figure FDA0004132971070000082
Figure FDA0004132971070000083
为待求观测点k的三维坐标初始值代入到SAR影像In的差分距离多普勒几何定位方程中得到的初值，简记为
Figure FDA0004132971070000084
53)求解上式，得到三维坐标之差矢量
Figure FDA0004132971070000085
的改正数向量
Figure FDA0004132971070000086
54)将改正数更新至三维坐标之差矢量
Figure FDA0004132971070000087
中，得到新的三维坐标之差矢量
Figure FDA0004132971070000088
55)重复步骤52)-54)，直到坐标改正值
Figure FDA0004132971070000089
以及
Figure FDA00041329710700000810
都小于1e-7；
56)逐个待求观测目标点求解，直到所有待求目标的三维坐标求解出为止。
6.根据权利要求1所述的一种无需外部误差校正的实时差分立体SAR几何定位方法，其特征在于，包括以下模块：
立体差分数据准备模块，用于自动筛选差分立体SAR数据、参考点大地坐标与地心直角坐标转换、获取SAR影像景中心的三维坐标；立体差分观测值获取模块，用于参考点Ref和待求目标点的像方坐标提取，完成差分观测值的获取；立体差分观测方程构建模块，用于构建单张SAR影像上待求目标点的差分立体方程；立体差分观测方程求解模块，用于构建差分立体平差模型，差分立体方程线性化处理，迭代求解差分位置矢量改正值，完成待求观测点的三维坐标解算。
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